Automation Kamerageführte Robotik für die Verpackungsindustrie

Integrierte Bildverarbeitung und Motion Control machen aus Robotern leistungsstarke Handhabungssysteme, von denen insbesondere die Verpackungsindustrie profitiert.

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Typische kamerageführte Verpackungsanwendungen nutzen einen Roboter, der durcheinander liegende Teile aussortiert. Lage und Ausrichtung der zu handhabenden Produkte müssen dazu exakt bestimmt werden. Das erfordert ein intelligentes Bildverarbeitungssystem, das idealerweise in die Bewegungssteuerung des Roboters integriert ist.

Der Roboter mit eingebauter Bildverarbeitung benutzt entweder Zeilenkameras oder flächenabtastende Kameras, um die Produkte auf einem sich bewegenden Förderband zu erkennen. Er verfolgt die Position des Transportbands mit Hilfe der Daten eines Förderband-Drehgebers. Anhand der Positionswerte von Förderband-Drehgeber und Bildverarbeitung ist die Position der Objekte definiert, sodass der Roboter zu jedem Zeitpunkt weiß, wo sich die Produkte im Raum befinden. Damit kann er sie am Förderband positionsgenau greifen.

In der Vergangenheit verwendete man eine einfache Blob-Analyse, um die Position und Ausrichtung eines Produkts zu bestimmen. Diese hat aber den Nachteil, dass sie eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung des Bildobjekts erfordert und die Erkennung sich berührender Teile schwierig macht. Daher war eine gewisse Vorabausrichtung und Vereinzelung der Produkte erforderlich.

Zur Teileerkennung im genannten Beispiel benutzt das Bildverarbeitungssystem AdeptSight (Bild 2), ein Verfahren zur geometrischen Objekterkennung. Alle modernen Bildverarbeitungssysteme verwenden meist das Konzept der geometrischen Objekterkennung, das auf einem Graustufen- oder Farbbild basiert und bestimmte Objektmerkmale für Erkennungszwecke benutzt. Dies macht den Erkennungsprozess weitestgehend unabhängig von Ausleuchtungsschwankungen und ermöglicht die Erkennung sich berührender Objekte.

Ein interessanter Nebeneffekt beim Benutzen der Bildverarbeitung zum Führen des Roboters ist die Möglichkeit, die ankommenden Produkte visuell zu überprüfen und eine Qualitätskontrolle direkt am Förderband durchzuführen. Bei Verwendung spezifischer Bildverarbeitungswerkzeuge nach dem Erkennen der Produkte kann eine Gut-/Schlecht-Entscheidung getroffen werden, sodass der Roboter nur Produkte greift, die bestimmte Kriterien erfüllen.

Integration von Bewegungssteuerung und Bildverarbeitung

Verpackungsanwendungen können sehr dynamisch sein. Zahlreiche Anlagen erfordern, dass jeder Roboter bis zu 140 Produkte pro Minute handhabt, wobei eine komplette Verpackungslinie für einen Durchsatz von beispielsweise 1000 Produkten pro Minute sorgt. Da die Rohprodukte und fertigen Verpackungen durch die Linie fließen müssen, sind hohe Förderband-Geschwindigkeiten erforderlich. Recht häufig benötigt man Geschwindigkeiten von 20 bis 30 m/min.

Es wurden auch schon Anwendungen mit Bandgeschwindigkeiten von 60 m/min realisiert. Daher muss die Bilderfassung mit der Robotersteuerung, welche die Position des Förderbands verfolgt, fest synchronisiert sein. Der Roboter muss die genaue Position des Bands zu dem Zeitpunkt kennen, an dem das Bild von der Kamera aufgenommen wird. Ein Jitter (Taktversatz) von beispielsweise nur 1 ms während der Bilderfassung hat bei einer Bandgeschwindigkeit von 1 m/s eine Ungenauigkeit von 1 mm zur Folge. Typischerweise muss jedoch die Gesamtgenauigkeit des Systems im Bereich von 1 bis 2 mm liegen, sodass bei der Synchronisation Latenzzeiten (Verzögerungszeit) im Bereich von mehreren µs nötig sind, um die Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen.

Wie bei jeder anderen kamerageführten Roboteranwendung müssen die Kameras auf den Roboter kalibriert werden. In Verpackungsanwendungen, bei denen Objekte von den sich bewegenden Förderbändern aufgenommen werden, sind auch die Bänder selbst auf den Roboter zu kalibrieren. Eine integrierte Bildverarbeitung/Bewegungssteuerung-Lösung bietet bereits fertig abrufbereite Kalibriermethoden. Dies macht es dem Maschinenbauer natürlich leicht, eine Anlage schnell und mühelos aufzustellen.

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